粉末高能率有限元模型压制条件实验修正与本构方程研究

摘要

在粉末压制过程中，有限元数值模拟技术逐渐成为研究粉末压制行为的常用手段，而进行数值模拟时，根据实际工况引入相应的压制条件对于获得正确的模拟结果至关重要。目前构建的粉末高能率压制有限元颗粒模型，压制条件主要是恒定的冲模速度，并忽略冲模质量等压制参数，但在进行粉末高能率实际压制时，冲模是以一定的初始速度压制粉末，压实过程中速度会不断变化，因而模型中冲模速度及质量的设置问题亟待解决；并且实验加载力的不同会导致初始速度本身的变化，模型颗粒数也会影响压制参数的设置，因此需要通过实验对相关压制参数进行修正；同时合理的材料本构方程对分析粉末压制数值模拟结果十分关键。为此，研究根据实验，以一定初始速度作为压制条件进行有限元仿真，对不同颗粒数模型中冲模质量等压制参数进行修正，并初步探讨粉末高能率压制本构方程，为构建有限元模型提供指导。
　　首先，通过 ABAQUS分别建立横向组与纵向组颗粒堆积简化模型，根据粉末 SHPB实验确定简化模型中初始速度等相关压制条件并进行仿真试验，得到一定相对密度下颗粒模型中冲模质量，并将模型中冲模质量与实验中冲模质量比值作为当量质量，分别构建横向颗粒排数，纵向颗粒排数与冲模当量质量的初步关系；运用所得公式确定九颗粒模型的冲模当量质量：0.224；同时构建铜粉的九颗粒模型进行仿真，对比其 SHPB实验结果，表明所建立的关系式具有一定可靠性。
　　其次，改变初始速度，对所构建的横向与纵向两组模型进行仿真试验，取得冲模当量质量与相对密度之间的关系，由此分别拟合得到两组模型初始速度、颗粒排数与冲模当量质量公式模型，进而根据这两组关系式假设冲模当量质量同时与冲模初始速度、横向颗粒行数及纵向颗粒列数三因素的预估模型，从而构建新的颗粒模型仿真，并拟合得到预估模型具体形式，通过对比验证该预估模型具有一定的准确性。
　　最后，将粉末体视为多孔固体，采用 Bernstein多项式作为形状函数描述金属粉末高能率压制过程中应变效应，进而结合 Johnson-Cook模型得出粉末高能率压制经验型本构方程。利用铜粉 SHPB实验数据拟合得到形状函数具体形式以及相应实验条件下的应变率敏感系数为0.285；对比采用本构方程得到应力应变曲线与 SHPB实验曲线，两者具有很好地一致性。
　　总而言之，本文基于实验对有限元简化模型中压制参数进行修正，解决了冲模速度与质量的设置问题；同时初步得到经验型本构方程，为仿真模型的构建提供一定指导。

目录

声明

1绪论

1.1引言

1.2粉末高能率压制

1.3粉末成形数值模拟研究

1.4粉末有限元模型本构方程研究

1.5本文研究的主要内容

2 ABAQUS模拟粉末冲击压制冲模质量实验修正

2.1引言

2.2压制参数

2.3有限元模型建立

2.4结果分析

2.5本章小结

3初始速度及横向与纵向颗粒排数对当量质量共同影响研究

3.1初始速度影响研究

3.2横向行数与纵向颗粒列数对当量质量共同作用

3.3本章总结

4粉末高能率本构方程研究

4.1粉末高能率方程

4.2粉末的多孔固体性质

4.3粉末高能率压制形状函数

4.4经验本构方程

4.5参数拟合与验证

4.6本章小结

5全文总结与展望

5.1全文总结

5.2工作展望

参考文献

在 校 研 究 成 果

致谢